JP5633006B2 - Friction stir processing apparatus and friction stir processing method - Google Patents

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Description

本発明は、例えば、金属材料の被加工材同士を突き合せた接合線に沿って回転するツールを押し付けて摩擦熱により軟化させて接合する摩擦攪拌加工装置及び摩擦攪拌加工方法に関する。   The present invention relates to, for example, a friction stir processing apparatus and a friction stir processing method in which a tool that rotates along a joining line where metal workpieces are abutted against each other is pressed and softened by friction heat to join.

上記加工法として、摩擦攪拌接合(FSW)が知られている。摩擦攪拌接合は、金属材料の被加工材同士を突き合せた接合線に対して円柱状のツールを回転させながら押し付けて接合方向に相対移動させることにより、発生する摩擦熱で被加工材を軟化させて接合する方法である。また、上記ツールを用いて、被加工材表面の強度及び硬さ等を向上させる摩擦攪拌改質(FSP)や、被加工材を点接合する摩擦攪拌点接合(FSJ)も行われ、これらと上記摩擦攪拌接合とを総称して摩擦攪拌加工と称される。   Friction stir welding (FSW) is known as the processing method. Friction stir welding softens the work material by the frictional heat generated by rotating the cylindrical tool against the joining line where the work materials made of metal materials face each other and rotating it in the joining direction. It is the method of making it join. In addition, using the above tools, friction stir modification (FSP) for improving the strength and hardness of the workpiece surface, and friction stir spot welding (FSJ) for spot welding the workpiece are also performed. The friction stir welding is generally referred to as friction stir processing.

上記ツールは、円柱状のツール本体と、ツール本体における被加工材と接触する円形のショルダ面と、ショルダ面の中央に突設して被加工材中に押し入れるプローブとを備える(図3)。そして、ツールは、被加工材よりも硬さ、融点、耐摩耗性等の物性の高い材料が要求され、アルミニウム材等の被加工材の接合にはSKD鋼等の工具鋼が主に使用されている。一方、アルミニウム材よりも高融点の材料であるステンレス等の鉄系材料の被加工材を接合する場合は、セラミックス製や超硬合金製等のツールが使用されている。しかし、セラミックス製のツールは破損しやすく、超硬合金製のツールは短時間で摩耗が生じやすい等の問題がある。そこで、ツールの材質として高強度で優れた高温特性を有するNi基2重複相金属間化合物合金からなるものが提案されている(特許文献2)。   The tool includes a cylindrical tool body, a circular shoulder surface that contacts the workpiece in the tool body, and a probe that protrudes from the center of the shoulder surface and is pushed into the workpiece (FIG. 3). . The tool is required to have a material having higher physical properties such as hardness, melting point, and wear resistance than the workpiece, and tool steel such as SKD steel is mainly used for joining the workpiece such as aluminum. ing. On the other hand, tools such as ceramics or cemented carbide are used for joining workpieces made of iron-based materials such as stainless steel, which has a higher melting point than aluminum materials. However, ceramic tools are easily damaged, and cemented carbide tools are prone to wear in a short time. Therefore, a material made of a Ni-based double-duplex intermetallic compound alloy having high strength and excellent high-temperature characteristics has been proposed as a tool material (Patent Document 2).

また、上記摩擦攪拌加工中におけるツールの被加工材へのツール深さ(被加工材表面からのショルダ面の押込み量)に変動が生じると接合部に欠陥が発生しやすくなる。そこで、このような欠陥防止の対策として、ツールが被加工材から受けるツール荷重と上記ツール深さとの相関に基づいて、加工中に検出するツール荷重が一定になるようにツールの上下位置を常時調節することでツール深さを一定に保持する荷重制御の技術が知られている(特許文献1)。   In addition, when the tool depth (the amount of pushing of the shoulder surface from the workpiece surface) into the workpiece during the friction stir processing is fluctuated, defects are likely to occur at the joint. Therefore, to prevent such defects, the vertical position of the tool is constantly adjusted so that the tool load detected during machining is constant based on the correlation between the tool load received by the tool from the workpiece and the tool depth. A load control technique for keeping the tool depth constant by adjusting is known (Patent Document 1).

特開2001−198683号公報JP 2001-198683 A 特開2009−255170号公報JP 2009-255170 A

ところで、上記ツールは、例えば鉄系材料を超硬合金製等のツールで接合する場合のように、ツールと被加工材の組み合わせによっては加工操作により摩耗して短くなっていく。そのため、被加工材を順次に複数回加工操作する場合は、ツールと被加工材との間で十分な接触面積が確保できなくなって加工部に欠陥を発生させる。また、ツールの摩耗は、ショルダ面の摩耗が顕著であり、プローブはそれほど摩耗しない。このことは、被加工材との接触速度が、ショルダ面では速く、ショルダ面の中心位置にあるプローブでは遅いため、ショルダ面ほど磨耗速度が大きいからである。そのため、ツールの摩耗が進行するとショルダ面との関係でプローブ長さが見かけ上長くなる傾向となる。この場合、上記荷重制御によると、ショルダ面と被加工材の接触面積を一定に保持しようとするので、見かけ上長くなったプローブの被加工材への挿入深さが深くなる。そして、荷重変動によるツール深さ変動により摩耗の少ないプローブの挿入深さが被加工材の板厚を超えてしまうと、加工部にバリや空洞等の欠陥を発生させる。このような現象は、被加工材が薄板(例えば、板厚1.5mm以下)の場合に顕著である。薄板の場合には加工装置によるツール押付荷重の変動の影響を受けやすいからであって、薄板は加工中に許容されるツール押付荷重の変動幅が小さいため、上記荷重制御を適切に実行することが困難だからである。   By the way, the tool is worn and shortened by a machining operation depending on the combination of the tool and the workpiece, for example, when a ferrous material is joined with a tool made of cemented carbide or the like. For this reason, when the workpiece is sequentially processed a plurality of times, a sufficient contact area cannot be secured between the tool and the workpiece, and a defect is generated in the processed portion. In addition, the wear of the tool is significant on the shoulder surface, and the probe is not so worn. This is because the contact speed with the workpiece is fast on the shoulder surface and slow on the probe at the center position of the shoulder surface, so the wear speed is higher on the shoulder surface. Therefore, when the wear of the tool progresses, the probe length tends to be apparently long in relation to the shoulder surface. In this case, according to the load control, the contact area between the shoulder surface and the workpiece is kept constant, so that the apparently long probe insertion depth into the workpiece is increased. And if the insertion depth of a probe with little wear exceeds the plate | board thickness of a workpiece due to the tool depth fluctuation | variation by load fluctuation | variation, defects, such as a burr | flash and a cavity, will be produced in a process part. Such a phenomenon is remarkable when the workpiece is a thin plate (for example, a plate thickness of 1.5 mm or less). In the case of a thin plate, it is easy to be affected by the fluctuation of the tool pressing load by the processing device, and since the fluctuation range of the tool pressing load allowed during processing is small for the thin plate, the above load control should be appropriately executed. Because it is difficult.

本発明は、上記事情に鑑み、加工操作の繰り返しによるツールの摩耗に対応することができ、欠陥の発生を抑制して良好な加工を可能とする摩擦攪拌加工装置及び摩擦攪拌加工方法を提供する。   In view of the above circumstances, the present invention provides a friction stir processing apparatus and a friction stir processing method that can cope with tool wear due to repeated processing operations and that can perform good processing by suppressing the occurrence of defects. .

本願発明に係る摩擦攪拌加工装置は、
ショルダ面にプローブを突設して金属材料からなる被加工材を摩擦攪拌加工するためのツールと、
ツールを回転させるための回転駆動手段と、
ツールを上下に移動させて被加工材に対して上から押し付けるツール高さを設定するための昇降駆動手段と、
ツールを被加工材の加工方向に相対移動させるための移送駆動手段と、
同じツールにより同じ材質の被加工材を順次に複数回摩擦攪拌加工するときの上記ツール高さは、最初に加工する被加工材に対して設定したツール高さを基準ツール高さとし、2回目以降に加工する被加工材に対しては、加工操作によるツールの摩耗におけるショルダ高さの減少量に対応して、ツールのショルダ面と被加工材との間で必要な接触面積を確保するために予め定められた下げ幅だけ上記基準ツール高さより低く設定されるように上記昇降駆動手段を制御するツール高さ調節手段とを備える。
The friction stir processing apparatus according to the present invention is:
A tool for projecting a probe on the shoulder surface and friction stir processing a workpiece made of a metal material;
Rotational drive means for rotating the tool;
Elevating drive means for setting the tool height to move the tool up and down and press against the workpiece from above,
Transfer drive means for moving the tool relative to the processing direction of the workpiece;
The above tool height when the same material is friction stir processed multiple times sequentially with the same tool is the tool height set for the first material to be processed as the reference tool height, and the second and subsequent times. In order to secure the necessary contact area between the shoulder surface of the tool and the workpiece, in response to the decrease in the shoulder height due to tool wear due to machining operations Tool height adjusting means for controlling the lifting drive means so as to be set lower than the reference tool height by a predetermined lowering width.

上記ツール高さ調節手段により、2回目以降に加工する被加工材に対してはツールの摩耗に対応してツール高さが調節されるので、ツールのショルダ面と被加工材との間で十分な接触面積を確保することができる。また、薄板のようにツール荷重の許容変動幅が比較的小さいために従来の荷重制御では高さ調節が困難であった被加工材であっても、上記ツール高さ制御手段によれば、ツールの摩耗に対応してツール高さが調節されるので、ツールのショルダ面と被加工材との間で十分な接触面積を確保することができる。従って、被加工材への加工操作を同じツールを用いて繰り返しても、ツールによる摩擦熱の発熱量を過不足無く適正に制御することができ、加工部での欠陥の発生が抑制される。   The tool height adjustment means adjusts the tool height according to the wear of the tool for workpieces to be processed after the second time. A large contact area can be ensured. Moreover, even if the workpiece is difficult to adjust in height by conventional load control because the allowable fluctuation range of the tool load is relatively small like a thin plate, the tool height control means described above Since the tool height is adjusted in accordance with the wear of the tool, a sufficient contact area can be ensured between the shoulder surface of the tool and the workpiece. Therefore, even if the machining operation on the workpiece is repeated using the same tool, the amount of frictional heat generated by the tool can be appropriately controlled without excess and deficiency, and the occurrence of defects in the machined portion is suppressed.

上記ツールは、Ni基2重複相金属間化合物合金からなるのが好ましく、また、上記被加工材は、鉄系材料の板材からなるのが好ましい。   The tool is preferably made of a Ni-based double-duplex intermetallic compound alloy, and the workpiece is preferably made of a plate material of an iron-based material.

これにより、ツールの耐熱及び耐摩耗性が向上され、加工時の摩擦熱による高温下でもツールは必要な硬さを発揮することができる。従って、加工時の温度が比較的高温となるステンレスなどの鉄系材料からなる被加工材に対して同じツールを用いて加工操作を繰り返しても、良好な加工状態を実現することができる。   Thereby, the heat resistance and wear resistance of the tool are improved, and the tool can exhibit the necessary hardness even under high temperature due to frictional heat during processing. Therefore, even if a machining operation is repeated using the same tool on a workpiece made of an iron-based material such as stainless steel that has a relatively high temperature during machining, a good machining state can be realized.

また、上記摩擦攪拌加工装置において、
摩擦攪拌加工により摩耗した上記ツールを砥石により研削するツール再生機構を備えるのが好ましい。
In the friction stir processing apparatus,
It is preferable to provide a tool regeneration mechanism for grinding the tool worn by friction stir processing with a grindstone.

ツールが摩耗することにより、ツールと被加工材の接触状態が不安定になり良好な接合状態を得ることができなくなる。これに対して、上記ツール再生機構によれば、ツールが摩耗しても、ツール再生機構によりツールを研削して再生することができる。従って、摩耗したツールを再生により再使用することができるので、ツールの寿命が延び、ツール交換頻度を少なくすることができ、被加工材の加工コストを抑えることもできる。   When the tool is worn, the contact state between the tool and the workpiece becomes unstable, and a good bonded state cannot be obtained. On the other hand, according to the tool regeneration mechanism, even if the tool is worn, the tool regeneration mechanism can grind and regenerate the tool. Therefore, since the worn tool can be reused by regeneration, the tool life can be extended, the frequency of tool replacement can be reduced, and the processing cost of the workpiece can be reduced.

ところで、加工操作の繰り返しによるツール摩耗は、ショルダ面の摩耗が顕著であり、プローブはそれほど摩耗しない。そのため、従来の荷重制御のように、ショルダ面の摩耗によってツール荷重が減少した分、ツールの押込み量を増加させると、プローブの挿入深さが被加工材の板厚を超えてしまい、加工部にバリや空洞等の欠陥を発生させる。   By the way, tool wear due to repeated machining operations is marked on the shoulder surface, and the probe is not so worn. Therefore, if the tool push-in amount is increased by the amount of decrease in the tool load due to wear on the shoulder surface as in conventional load control, the probe insertion depth exceeds the plate thickness of the workpiece, and the processed part This causes defects such as burrs and cavities.

そこで、上記ツール再生機構は、砥石により上記ツールのプローブだけを研削する構成とすることができる。
これにより、加工操作の繰り返しによりツールのショルダ面が顕著に摩耗したために長くなってしまったプローブを上記ツール再生機構によって研削することで、プローブ長さを被加工材の厚さに対応した適切な長さに再生することができる。従って、ツールを再生することによってもツールの摩耗に対応することができるので、被加工材への加工操作を同じツールを用いて繰り返しても、加工部での欠陥の発生を抑制して良好な加工状態を実現することができる。また、プローブのみの再生であれば、簡易に且つ迅速にツールを再生させることができる。
Therefore, the tool regeneration mechanism can be configured to grind only the probe of the tool with a grindstone.
As a result, the probe length, which has become longer due to significant wear on the shoulder surface of the tool due to repeated machining operations, is ground by the above-mentioned tool regeneration mechanism, so that the probe length corresponds to the thickness of the workpiece. Can be played back to length. Therefore, since the tool wear can be dealt with by regenerating the tool, even if the machining operation to the workpiece is repeated using the same tool, the occurrence of defects in the machined portion is suppressed, which is good. The machining state can be realized. Further, if only the probe is reproduced, the tool can be reproduced easily and quickly.

また、本願発明に係る摩擦攪拌加工装置は、
ショルダ面にプローブを突設して金属材料からなる被加工材を摩擦攪拌加工するためのツールと、
ツールを回転させるための回転駆動手段と、
ツールを上下に移動させて被加工材に対して上から押し付けるツール高さを設定するための昇降駆動手段と、
ツールを被加工材の加工方向に相対移動させるための移送駆動手段と、
同じツールにより同じ材質の被加工材を順次に複数回摩擦攪拌加工するときの上記ツール高さは、最初に加工する被加工材に対して設定したツール高さを基準ツール高さとし、2回目以降に加工する被加工材に対しては、加工操作によるツールの摩耗に対応して、ツールのショルダ面と被加工材との間で必要な接触面積を確保するために予め定められた下げ幅だけ上記基準ツール高さより低く設定されるように上記昇降駆動手段を制御するツール高さ調節手段と、
摩擦攪拌加工により摩耗した上記ツールを砥石により研削するツール再生機構と、
上記ツール再生機構による再生の際、上記ツールを回転させながら砥石を回転させてツールを研削するように制御し、ツールの回転トルク又は砥石の回転トルクを検出するトルク検出手段の出力値が所定の設定値に達すると再生を停止するように制御する再生制御手段を備える。
The friction stir processing apparatus according to the present invention is
A tool for projecting a probe on the shoulder surface and friction stir processing a workpiece made of a metal material;
Rotational drive means for rotating the tool;
Elevating drive means for setting the tool height to move the tool up and down and press against the workpiece from above,
Transfer drive means for moving the tool relative to the processing direction of the workpiece;
The above tool height when the same material is friction stir processed multiple times sequentially with the same tool is the tool height set for the first material to be processed as the reference tool height, and the second and subsequent times. For workpieces to be machined, only a predetermined reduction width is required to ensure the necessary contact area between the shoulder surface of the tool and the workpiece in response to tool wear due to machining operations. Tool height adjusting means for controlling the elevating drive means to be set lower than the reference tool height;
A tool regeneration mechanism for grinding the tool worn by friction stir processing with a grindstone;
At the time of reproduction by the tool reproduction mechanism, the tool is rotated so as to grind the tool while rotating the tool, and the output value of the torque detection means for detecting the rotation torque of the tool or the rotation torque of the grindstone is a predetermined value. it reaches the set value and Ru and a reproduction control means for controlling to stop playing.

これにより、ツール再生時にツール又は砥石の回転トルクをトルク検出手段により検出して、例えば、ツールの表面形状が適切な状態になった時の回転トルクの値を設定値とし、回転トルクがこの設定値になった時に再生を停止することで、時間の無駄がなく、削りすぎることもなく良好なツール再生を行なうことができる。   As a result, the rotational torque of the tool or the grindstone is detected by the torque detection means when the tool is reproduced, and for example, the rotational torque value when the surface shape of the tool is in an appropriate state is set as the set value. By stopping the reproduction when the value is reached, it is possible to perform a good tool reproduction without wasting time and not cutting too much.

また、本願発明に係る摩擦攪拌加工方法は、
金属材料の被加工材に対してツールを回転させながら押し付けて発生する摩擦熱により被加工材を軟化させて加工する摩擦攪拌加工方法であって、
同じツールにより同じ材質の被加工材を順次に複数回摩擦攪拌加工するときに被加工材を上から押し付けるツール高さは、最初に加工する被加工材に対して設定したツール高さを基準ツール高さとし、2回目以降に加工する被加工材に対しては、加工操作によるツールの摩耗におけるショルダ高さの減少量に対応して、ツールのショルダ面と被加工材との間で必要な接触面積を確保するために予め定められた下げ幅だけ上記基準ツール高さより低く設定して被加工材の加工を行う。

In addition, the friction stir processing method according to the present invention,
A friction stir processing method for softening and processing a workpiece by friction heat generated by pressing a tool against a workpiece of metal material while rotating the tool,
The tool height for pressing the workpiece from the top when the same material is friction stir processed multiple times sequentially with the same tool is the tool height set for the workpiece to be processed first. For the workpiece to be processed at the second and subsequent times, the required contact between the shoulder surface of the tool and the workpiece corresponding to the amount of reduction in the shoulder height due to wear of the tool by the machining operation In order to ensure the area, the workpiece is processed while being set lower than the reference tool height by a predetermined reduction width.

これにより、被加工材への加工操作によるツールの摩耗に対応してツールのショルダ面と被加工材との間で十分な接触面積を確保することができる。従って、被加工材への加工操作を同じツールを用いて繰り返しても、ツールによる摩擦熱の発熱量を過不足無く適正に制御することができ、加工部での欠陥の発生が抑制される。そして、従来の荷重制御では十分に欠陥防止対応するのが困難である場合として、例えば、薄板のようにツール荷重の許容変動幅が比較的小さい被加工材に対しても、ツールによる摩擦熱の発熱量を過不足無く適正に制御することができ、加工部での欠陥の発生を抑制することができる。   As a result, a sufficient contact area can be ensured between the shoulder surface of the tool and the workpiece corresponding to the wear of the tool due to the machining operation on the workpiece. Therefore, even if the machining operation on the workpiece is repeated using the same tool, the amount of frictional heat generated by the tool can be appropriately controlled without excess and deficiency, and the occurrence of defects in the machined portion is suppressed. As a case where it is difficult to sufficiently prevent defects with the conventional load control, for example, the frictional heat generated by the tool is also applied to a workpiece having a relatively small allowable fluctuation range of the tool load, such as a thin plate. The amount of generated heat can be appropriately controlled without excess or deficiency, and the occurrence of defects in the processed portion can be suppressed.

以上のように、本発明に係る摩擦攪拌加工装置及び摩擦攪拌加工方法によれば、被加工材への加工操作を同じツールを用いて繰り返しても、ツールの摩耗に対応することができ、加工部での欠陥の発生を抑制して良好な加工状態を実現することができる。また、被加工材が薄板の場合であっても良好な加工状態を実現することができる。   As described above, according to the friction stir processing apparatus and the friction stir processing method according to the present invention, even if the processing operation on the workpiece is repeated using the same tool, it is possible to cope with tool wear and processing. It is possible to suppress the generation of defects in the part and realize a good processing state. Moreover, even if the workpiece is a thin plate, a good machining state can be realized.

摩擦攪拌接合装置の全体構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the whole structure of a friction stir welding apparatus. 摩擦攪拌接合装置におけるツール高さを設定する機構を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the mechanism which sets the tool height in a friction stir welding apparatus. 摩擦攪拌加工用のツールを示す図であり、同図(A)はツールの斜視図であり、同図(B)はその側面図である。It is a figure which shows the tool for friction stirring processing, the figure (A) is a perspective view of a tool, and the figure (B) is the side view. 摩擦攪拌接合装置のツール再生機構としてのツール研削装置の部分を拡大した断面図である。It is sectional drawing to which the part of the tool grinding apparatus as a tool reproduction | regeneration mechanism of a friction stir welding apparatus was expanded. ワーク加工操作位置とツール再生操作位置との関係を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the relationship between a workpiece processing operation position and a tool reproduction | regeneration operation position. 実施例1における加工距離とツール摩耗との相関関係を示すグラフである。It is a graph which shows the correlation of the processing distance in Example 1, and tool wear. 実施例1の摩擦攪拌接合の加工操作(1回目)により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。It is the photograph which image | photographed the junction part of the thin plate obtained by processing operation (1st time) of the friction stir welding of Example 1 from the front side. 実施例1の摩擦攪拌接合の加工操作(7回目)により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。It is the photograph which image | photographed the junction part of the thin plate obtained by processing operation (7th time) of the friction stir welding of Example 1 from the front side. 実施例1の摩擦攪拌接合の加工操作(13回目)により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。It is the photograph which image | photographed the junction part of the thin plate obtained by the processing operation (13th time) of the friction stir welding of Example 1 from the front side. 実施例2における加工距離とツール摩耗との相関関係を示すグラフである。It is a graph which shows the correlation of the processing distance in Example 2, and tool wear. 実施例2の摩擦攪拌接合の加工操作(1回目)により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。It is the photograph which image | photographed the junction part of the thin plate obtained by processing operation (1st time) of the friction stir welding of Example 2 from the front side. 実施例2の摩擦攪拌接合の加工操作(7回目)により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。It is the photograph which image | photographed the junction part of the thin plate obtained by processing operation (seventh) of the friction stir welding of Example 2 from the front side. 実施例2の摩擦攪拌接合の加工操作(14回目)により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。It is the photograph which image | photographed the junction part of the thin plate obtained by processing operation (14th time) of the friction stir welding of Example 2 from the front side. 実施例3の摩擦攪拌接合の加工操作(再生前)により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。It is the photograph which image | photographed the junction part of the thin plate obtained by processing operation (before reproduction | regeneration) of the friction stir welding of Example 3 from the front side. 実施例3の摩擦攪拌接合の加工操作(再生後)により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。It is the photograph which image | photographed the junction part of the thin plate obtained by processing operation (after reproduction | regeneration) of the friction stir welding of Example 3 from the front side.

以下に、摩擦攪拌加工装置の一実施形態として、金属材料の被加工材となる板材(以下、適宜「ワーク」)を摩擦攪拌接合するための摩擦攪拌接合装置を例に挙げて説明する。図1に示すように、摩擦攪拌接合装置1は、基台7上のワークW1,W2に対して摩擦攪拌接合を行うための加工機構2を備える。   Hereinafter, as an embodiment of a friction stir processing apparatus, a friction stir welding apparatus for performing friction stir welding on a plate material (hereinafter referred to as “workpiece” as appropriate) as a workpiece of a metal material will be described as an example. As shown in FIG. 1, the friction stir welding apparatus 1 includes a processing mechanism 2 for performing friction stir welding on workpieces W <b> 1 and W <b> 2 on a base 7.

基台7上には、2枚の平板状のワークW1,W2を配置する冶具4が設けられ、冶具4には、ワークW1,W2の裏面に配置される裏当て材41が取り付けられている。ワークW1,W2は、冶具4に設けたワーク押さえ6により互いの端面を突き合わせた接合線Lが裏当て材41の中央に位置するように固定される。裏当て材41の材質は、セラミックス製とすることが好ましいが、これに限定されるものではない。例えば、ワークW1,W2が鉄系合金の板材であれば、良好な接合を行うために板材の裏面側からの放熱を遮断できる熱伝導率の小さい材質(例えば、Si)を選択することが可能である。なお、裏当て材41は、図1に示すような平板部材以外に棒状部材等で構成してもよい。 On the base 7, a jig 4 for arranging two flat workpieces W1, W2 is provided, and a backing material 41 arranged on the back surface of the works W1, W2 is attached to the jig 4. . The workpieces W1 and W2 are fixed by a workpiece presser 6 provided on the jig 4 so that a joining line L that abuts each other's end faces is positioned at the center of the backing material 41. The material of the backing material 41 is preferably made of ceramics, but is not limited thereto. For example, if the workpieces W1 and W2 are iron-based alloy plate materials, a material having a low thermal conductivity (for example, Si 3 N 4 ) that can block heat radiation from the back side of the plate materials is selected in order to achieve good bonding. It is possible. In addition, you may comprise the backing material 41 by a rod-shaped member etc. other than the flat plate member as shown in FIG.

加工機構2は、摩擦攪拌加工用のツール20と、ツール20を保持するツール保持部30と、ツール20を回転させるための回転用モータ(回転駆動手段)32と、ツール保持部30を昇降させるための昇降用モータ(昇降駆動手段)85と、ツール保持部30を横方向に移動させるための移送用モータ(移送駆動手段)83とを備える。   The processing mechanism 2 raises and lowers the tool 20 for friction stir processing, a tool holding unit 30 for holding the tool 20, a rotation motor (rotation drive means) 32 for rotating the tool 20, and the tool holding unit 30. And an elevating motor (elevating drive means) 85 and a transfer motor (transfer driving means) 83 for moving the tool holding unit 30 in the lateral direction.

ツール保持部30は、下部にツール20を着脱自在に取り付けるツールホルダー3を備える。ツールホルダー3は、ツール回転用モータ23と連結されており、このツール回転用モータ23の駆動によりツールホルダー3とともにツール20が回転される。ツール保持部30は、図2に示すように、スライダー80に対してボールネジ86により昇降自在に取り付けられており、スライダー80に設ける昇降用モータ85により基台7に対して上下に移動自在にされ、これにより、ツール20をワークW1,W2に接触させるツール高さが設定される。また、ツール保持部30は、スライダー80に対して回動自在に取り付けられており、ツール20を所定の前進角θ(図5参照)に設定できるようになっている。スライダー80は、一対のガイドレール81とボールネジ82とを備える直動機構84に取り付けられており、送り用モータ83の駆動により基台7に平行に移動される。これにより、スライダー80に取り付けたツール保持部30が移動されるので、ツール保持部30に保持するツール20がワークW1,W2の加工方向となる接合線L方向に沿って移動される。   The tool holding unit 30 includes a tool holder 3 to which the tool 20 is detachably attached. The tool holder 3 is connected to a tool rotation motor 23, and the tool 20 is rotated together with the tool holder 3 by driving the tool rotation motor 23. As shown in FIG. 2, the tool holding unit 30 is attached to the slider 80 by a ball screw 86 so as to be movable up and down, and is movable up and down with respect to the base 7 by a lifting motor 85 provided on the slider 80. Thereby, the tool height which makes the tool 20 contact workpiece | work W1, W2 is set. The tool holding unit 30 is rotatably attached to the slider 80 so that the tool 20 can be set to a predetermined advance angle θ (see FIG. 5). The slider 80 is attached to a linear motion mechanism 84 having a pair of guide rails 81 and a ball screw 82, and is moved in parallel with the base 7 by driving of a feed motor 83. Thereby, since the tool holding part 30 attached to the slider 80 is moved, the tool 20 hold | maintained at the tool holding part 30 is moved along the joining line L direction used as the process direction of workpiece | work W1, W2.

(摩擦攪拌加工用ツール)
図3に示すように、ツール20は、円柱状のツール本体21と、ツール本体21の基端側にフランジ25を介して形成する六角柱状の取付部24とを有する。取付部24がツールホルダー3に着脱自在に固定されることにより、ツール保持部30にツール20が取り付けられる。ツール本体21の先端面は、平面状のショルダ面22と、ショルダ面22の中心部に突設された球面状のプローブ23とを有する。そして、ツール20は、ワークW1,W2を摩擦攪拌加工する際、回転しながらツール本体21のショルダ面22及びプローブ23をワークW1,W2に押し付けて摩擦熱を発生させるようにする。
(Friction stir processing tool)
As shown in FIG. 3, the tool 20 includes a columnar tool main body 21 and a hexagonal columnar mounting portion 24 formed on the base end side of the tool main body 21 via a flange 25. The tool 20 is attached to the tool holding part 30 by the attachment part 24 being detachably fixed to the tool holder 3. The distal end surface of the tool main body 21 has a planar shoulder surface 22 and a spherical probe 23 protruding from the center of the shoulder surface 22. When the workpieces 20 are subjected to friction stir processing, the tool 20 presses the shoulder surface 22 and the probe 23 of the tool main body 21 against the workpieces W1 and W2 while rotating to generate frictional heat.

ツール20は、Ni基2重複相金属間化合物合金により形成されるのが好ましい。これにより、ツール20の耐熱及び耐摩耗性が向上され、加工時の摩擦熱による高温下でもツール20が必要な硬さを発揮することができ、被加工材がアルミニウム合金等に比べて高融点材料である鉄系合金等であっても確実に且つ良好な接合を行うことができる。   Tool 20 is preferably formed from a Ni-based two-duplex intermetallic alloy. As a result, the heat resistance and wear resistance of the tool 20 are improved, the tool 20 can exhibit the necessary hardness even under high temperatures due to frictional heat during processing, and the workpiece has a higher melting point than aluminum alloy or the like. Even if it is a ferrous alloy etc. which are materials, reliable and favorable joining can be performed.

Ni基2重複相金属間化合物合金として、例えば、NiAl(L1)−NiTi(D024)−NiV(D022)系金属間化合物合金(国際公開WO2006/1011212号パンフレットを参照)や、NiAl(L1)−NiNb(D0)−NiV(D022)系金属間化合物合金(国際公開WO2007/086185号パンフレットを参照)などが知られている。 For example, Ni 3 Al (L1 2 ) —Ni 3 Ti (D 0 24 ) —Ni 3 V (D 0 22 ) intermetallic compound alloy (International Publication WO2006 / 1011212 pamphlet) And Ni 3 Al (L1 2 ) —Ni 3 Nb (D 0 a ) —Ni 3 V (D 0 22 ) intermetallic compound alloy (see International Publication WO2007 / 086185 pamphlet) and the like are known.

上記NiAl(L1)−NiTi(D024)−NiV(D022)系相金属間化合物合金として、具体的には、Al:5原子%より大で13原子%以下、V:9.5原子%以上で17.5原子%より小、Ti:0原子%以上で3.5原子%以下、B:0重量ppm以上で1000重量ppm以下、残部は不純物を除きNiからなり、かつ初析L12相と(L12+D022)共析組織との2重複相組織を有するNiAl基金属間化合物が挙げられる。 As the Ni 3 Al (L1 2) -Ni 3 Ti (D0 24) -Ni 3 V (D0 22) based phase intermetallic alloy, specifically, Al: at greater than 5 atomic% 13 atomic% or less, V: 9.5 atomic% or more and smaller than 17.5 atomic%, Ti: 0 atomic% or more and 3.5 atomic% or less, B: 0 weight ppm or more and 1000 weight ppm or less, and the balance is from Ni except impurities. And a Ni 3 Al-based intermetallic compound having a double-phase structure of a proeutectoid L1 2 phase and a (L1 2 + D0 22 ) eutectoid structure.

この金属間化合物は、Al:5原子%より大で13原子%以下、V:9.5原子%以上で17.5原子%より小、Ti:0原子%以上で3.5原子%以下、B:0重量ppm以上で1000重量ppm以下、残部は不純物を除きNiからなる合金材に対して、初析L12相とAl相とが共存する温度で第1熱処理を行い、その後L12相とD022相とが共存する温度に冷却するか、当該L12相とD022相とが共存する温度で第2熱処理を行うことによって、Al相を(L12+D022)共析組織に変化させて2重複相組織を形成する工程を備える方法によって製造することができる。もしくは、上記組成の合金を高温のA1単相領域から徐冷することによって2重複相組織を形成する工程を備える方法によっても製造することができる。 This intermetallic compound is Al: greater than 5 atomic% and 13 atomic% or less, V: 9.5 atomic% or more and less than 17.5 atomic%, Ti: 0 atomic% or more and 3.5 atomic% or less, B: 0 ppm by weight or more in 1000 ppm by weight or less, the balance being the alloy material consisting of Ni remove impurities, performing a first heat treatment at a temperature at which coexist with proeutectoid L1 2 phase and Al phase, then L1 2 phase If either is the D0 22 phase is cooled to a temperature to coexist, the change by performing the second heat treatment at a temperature and the L1 2 phase and D0 22 phase coexist, the Al phase (L1 2 + D0 22) eutectoid tissue And can be produced by a method comprising a step of forming a double-duplex structure. Alternatively, it can also be produced by a method comprising a step of forming a double-duplex structure by slowly cooling an alloy having the above composition from a high-temperature A1 single phase region.

また、上記NiAl(L1)−NiNb(D0)−NiV(D022)系金属間化合物合金として、具体的には、Al:5原子%より大で13原子%以下、V:9.5原子%以上で17.5原子%より小、Nb:0原子%以上で5原子%以下、B:50重量ppm以上1000重量ppm以下、残部は不純物を除きNiからなり、初析L12相と(L12+D022)共析組織との2重複相組織を有するNiAl基金属間化合物が挙げられる。 Further, the Ni 3 Al (L1 2) as -Ni 3 Nb (D0 a) -Ni 3 V (D0 22) based intermetallic compound alloy, specifically, Al: Large 13 atomic% or less than 5 atomic% V: 9.5 atomic% or more and less than 17.5 atomic%, Nb: 0 atomic% or more and 5 atomic% or less, B: 50 weight ppm or more and 1000 weight ppm or less, the balance is made of Ni except impurities, Examples thereof include a Ni 3 Al group intermetallic compound having a double overlapping phase structure of a proeutectoid L1 2 phase and a (L1 2 + D0 22 ) eutectoid structure.

この金属間化合物は、Al:5原子%より大で13原子%以下、V:9.5原子%以上で17.5原子%より小、Nb:0原子%以上で5原子%以下、B:50重量ppm以上で1000重量ppm以下、残部は不純物を除きNiからなる合金材に対して、初析L12相とAl相とが共存する温度、又は初析L1相とAl相とD0が共存する温度で第1熱処理を行い、その後、L1相とD022相とが共存する温度に冷却するか、その温度で第2熱処理を行うことによって、Al相を(L12+D022)共析組織に変化させて2重複相組織を形成する工程によって製造することができる。もしくは、上記組成の合金を高温のA1単相領域から徐冷することによって2重複相組織を形成する工程を備える方法によっても製造することができる。 This intermetallic compound has Al: greater than 5 atomic% and 13 atomic% or less, V: 9.5 atomic% or more and less than 17.5 atomic%, Nb: 0 atomic% or more and 5 atomic% or less, B: 1000 ppm by weight to 50 ppm by weight or less, the balance being the alloy material consisting of Ni remove impurities, proeutectoid L1 2 phase and Al phase and the temperature to coexist, or the pro-eutectoid L1 2 phase and Al phase and D0 a The first heat treatment is performed at a temperature at which the Al phase coexists, and then the Al phase is cooled to a temperature at which the L1 2 phase and the D0 22 phase coexist, or the second heat treatment is performed at that temperature, whereby the Al phase is (L1 2 + D0 22 ). It can be manufactured by a process of changing to a eutectoid structure to form a double-duplex structure. Alternatively, it can also be produced by a method comprising a step of forming a double-duplex structure by slowly cooling an alloy having the above composition from a high-temperature A1 single phase region.

そして、ツール20の材質には、Niを主成分とし且つAl:2〜9原子%、V:10〜17原子%、Ta及び/又はW:0.5〜8原子%、Nb:0〜6原子%、Co:0〜6原子%、Cr:0〜6原子%を含む合計100原子%の組成の合計重量に対してB:10〜1000重量ppmを含み且つ初析L12相と(L12+D022)共析組織とからなる2重複相組織を有するNi基2重複相金属間化合物合金が、耐熱及び耐摩耗性に優れる点で好ましい。なお、本明細書において、上記「〜」は、上限値、下限値をそれぞれ含む。
Ta及び/又はWが0.5〜8原子%含むことにより硬さの向上効果が得られる。
Nb、Co、Crは、任意成分であるが、Nbは、2重複相組織の強度向上のために添加され、また、Co、Crは、耐酸化性向上のために添加される。
Bは、得られる合金の延性向上のために添加される。
また、初析L12相と(L12+D022)共析組織とからなる2重複相組織を有することにより、金属間化合物合金は引張強度などの機械的特性や耐クリープ特性に優れるものとなる。
The material of the tool 20 is mainly composed of Ni and Al: 2 to 9 atomic%, V: 10 to 17 atomic%, Ta and / or W: 0.5 to 8 atomic%, Nb: 0 to 6 B: 10 to 1000 ppm by weight and the proeutectoid L1 2 phase (L1) with respect to the total weight of the composition of a total of 100 atomic% including atomic%, Co: 0 to 6 atomic%, Cr: 0 to 6 atomic% 2 + D0 22 ) A Ni-based double-duplex intermetallic compound alloy having a double-duplex structure composed of a eutectoid structure is preferable in terms of excellent heat resistance and wear resistance. In the present specification, the above “to” includes an upper limit value and a lower limit value, respectively.
When Ta and / or W is contained in an amount of 0.5 to 8 atomic%, an effect of improving hardness can be obtained.
Nb, Co, and Cr are optional components, but Nb is added to improve the strength of the double-phase structure, and Co and Cr are added to improve oxidation resistance.
B is added to improve the ductility of the obtained alloy.
In addition, the intermetallic compound alloy is excellent in mechanical properties such as tensile strength and creep resistance by having a double-duplex structure composed of a proeutectoid L1 2 phase and a (L1 2 + D0 22 ) eutectoid structure. .

また、ツール20の材質には、Niを主成分とし且つAl:5.5〜13原子%、V:10〜17原子%、Nb:0〜6原子%、Ti:0〜6原子%、Co:0〜6原子%、Cr:0〜6原子%を含む合計100原子%の組成の合計重量に対してB:10〜1000重量ppmを含み且つ初析L12相と(L12+D022)共析組織とからなる2重複相組織を有するNi基2重複相金属間化合物合金も、上記のものと同様に、耐熱及び耐摩耗性に優れる点で好ましい。 The material of the tool 20 is mainly composed of Ni and Al: 5.5 to 13 atomic%, V: 10 to 17 atomic%, Nb: 0 to 6 atomic%, Ti: 0 to 6 atomic%, Co : B: 10 to 1000 ppm by weight with respect to the total weight of the composition of a total of 100 atom% including 0 to 6 atom%, Cr: 0 to 6 atom%, and the proeutectoid L1 2 phase (L1 2 + D0 22 ) A Ni-based double-duplex intermetallic compound alloy having a double-duplex structure composed of a eutectoid structure is also preferable from the viewpoint of excellent heat resistance and wear resistance, as described above.

また、ツール20の製造は、溶解・鋳造法、鋳造材を熱間鍛造等の塑性加工、粉末冶金法等にて賦形してもよい。例えば、Ni基2重複相金属間化合物合金のツール20の製造は、種々の製造方法にて行うことができ、所定の組成になるように所定の元素の地金(それぞれ純度99.9重量%以上)とBを秤量したものを真空誘導溶解法やアーク溶解法等によって溶解、鋳造することによって鋳塊を作製する。この鋳塊から放電加工、切削加工、研削加工、研磨加工等を適宜用いて所定の形状に加工することによりツールを製造することができる。   The tool 20 may be manufactured by a melting / casting method, a plastic material such as hot forging, or a powder metallurgy method. For example, the manufacture of the Ni-based two-duplex intermetallic alloy tool 20 can be performed by various manufacturing methods, and a predetermined element metal (having a purity of 99.9% by weight) so as to have a predetermined composition. An ingot is prepared by melting and casting the above-described (weighed) and B by vacuum induction melting method, arc melting method or the like. A tool can be manufactured by processing this ingot into a predetermined shape by appropriately using electric discharge machining, cutting, grinding, polishing, or the like.

そして、上記摩擦攪拌接合装置1によりワークW1,W2を接合する際、高速回転(例えば、500rpm〜2000rpm程度)させたツール20を、ワークW1,W2の接合線Lの一端に押し付ける。すると、発生する摩擦熱により接合線L周辺のワークW1,W2が軟化する。次いで、ツール20を接合線Lの他端に向かって移動させることにより、回転による摩擦熱で接合線L周辺のワークW1,W2が連続的に軟化し、ワークW1,W2の接合線L付近が摩擦攪拌により接合される。   When the workpieces W1 and W2 are joined by the friction stir welding apparatus 1, the tool 20 rotated at a high speed (for example, about 500 rpm to 2000 rpm) is pressed against one end of the joining line L of the workpieces W1 and W2. Then, the works W1 and W2 around the joining line L are softened by the generated frictional heat. Next, by moving the tool 20 toward the other end of the joining line L, the works W1 and W2 around the joining line L are continuously softened by frictional heat due to rotation, and the vicinity of the joining line L between the works W1 and W2 Joined by friction stir.

(ツール高さ調節手段)
また、上記摩擦攪拌接合装置1は、同じツール20により同じ材質の被加工材(ワークW1,W2)を順次に複数回摩擦攪拌加工するとき、ツール20の摩耗に対応して、繰り返し行う加工操作毎に、ツール高さを低く設定するように上記昇降用モータ85を制御するツール高さ調節手段88を備えている(図1参照)。
(Tool height adjustment means)
Further, the friction stir welding apparatus 1 repeatedly performs a machining operation corresponding to the wear of the tool 20 when the same material 20 (workpieces W1, W2) is sequentially subjected to friction stir processing a plurality of times. Each time, a tool height adjusting means 88 for controlling the elevating motor 85 so as to set the tool height low is provided (see FIG. 1).

すなわち、ツール20は、被加工材の加工操作を繰り返すことにより摩耗して短くなっていく。このツール摩耗の度合いは、被加工材の材質、ツール20の材質、ツール回転数、加工速度等により変動するが、これら条件が同じ場合、ツール20は加工距離にほぼ比例して摩耗する(図6、図10を参照)。そこで、ツール摩耗度合いについて、ツール回転数を一定にして同じツール20により同じ材質の被加工材を摩擦攪拌接合したときの実験結果により、同条件下での加工距離に対するツール摩耗の相関データを取得する。   That is, the tool 20 is worn and shortened by repeating the machining operation of the workpiece. The degree of wear of the tool varies depending on the material of the workpiece, the material of the tool 20, the number of rotations of the tool, the machining speed, and the like. 6, see FIG. Therefore, with respect to the degree of tool wear, correlation data of tool wear with respect to the machining distance under the same conditions is obtained from the experimental results when the same material is subjected to friction stir welding with the same tool 20 at a constant tool rotation speed. To do.

そして、ツール高さ調節手段88において、このツール摩耗の相関データを基に、同じ条件下で2回目以降に加工する被加工材に対して、ツール20のショルダ面22と被加工材との間で必要な接触面積が確保されるツール高さを決定し、最初に加工する被加工材に対して設定したツール高さ(基準ツール高さ)より低くする下げ幅を予め設定しておく。なお、ツール20のショルダ面と被加工材との間での必要な接触面積としては、例えば、ショルダ面の70%以上とするのが好ましい。   Then, in the tool height adjusting means 88, based on the tool wear correlation data, between the shoulder surface 22 of the tool 20 and the workpiece for the workpiece to be processed for the second time or later under the same conditions. The tool height at which the necessary contact area is ensured is determined, and a lowering width that is lower than the tool height (reference tool height) set for the workpiece to be processed first is set in advance. The necessary contact area between the shoulder surface of the tool 20 and the workpiece is, for example, preferably 70% or more of the shoulder surface.

そして次に、同じツール20により同じ材質の被加工材を順次に複数回摩擦攪拌接合するときのツール高さは、上記ツール高さ調節手段88により、2回目以降に加工する被加工材に対しては、加工操作によるツール20の摩耗に対応して、上記下げ幅だけ上記基準ツール高さより低く設定されるように上記昇降用モータ85が制御されることとなる。なお、最初に加工する被加工材に対して設定するツール高さ(基準ツール高さ)は、例えば、ショルダ面22の70%以上が被加工材に接触されるツール高さに設定されるのが好ましく、この基準ツール高さは、例えば、ツール20の前進角θを加味して、ショルダ面22が被加工材の表面に接触する位置から所定深さだけショルダ面22被加工材へ押込んだときの位置とされる。   Next, the tool height when the workpieces of the same material are sequentially friction stir welded a plurality of times by the same tool 20 is the same as the workpiece to be machined the second time and thereafter by the tool height adjusting means 88. Accordingly, the lifting motor 85 is controlled so that the lowering width is set lower than the reference tool height in accordance with the wear of the tool 20 due to the machining operation. The tool height (reference tool height) set for the workpiece to be processed first is set to a tool height at which 70% or more of the shoulder surface 22 is in contact with the workpiece. Preferably, the reference tool height is pressed into the shoulder surface 22 work material by a predetermined depth from the position where the shoulder surface 22 contacts the surface of the work material, taking into account the advance angle θ of the tool 20, for example. It is the position when.

上記ツール高さ調節手段88により、ツール20の摩耗に対応してツール高さが調節されるので、2回目以降に加工する被加工材に対してもツール20のショルダ面22と被加工材との間で十分な接触面積を確保することができる。従って、被加工材への加工操作を同じツール20を用いて繰り返しても、ツール20による摩擦熱の発熱量を過不足無く適正に制御することができ、接合部での欠陥の発生が抑制される。   Since the tool height is adjusted by the tool height adjusting means 88 in accordance with the wear of the tool 20, the shoulder surface 22 of the tool 20 and the workpiece can be processed even for the workpiece to be processed after the second time. A sufficient contact area can be ensured. Therefore, even if the machining operation on the workpiece is repeated using the same tool 20, the amount of frictional heat generated by the tool 20 can be appropriately controlled without excess or deficiency, and the occurrence of defects at the joint is suppressed. The

そして、従来の荷重制御では十分に欠陥防止対応するのが困難である場合として、例えば、薄板(例えば、板厚1.5mm以下)のようにツール荷重の許容変動幅が比較的小さい被加工材に対しても、ツール20による摩擦熱の発熱量を過不足無く適正に制御することができ、接合部での欠陥の発生を抑制することができる。   As a case where it is difficult to sufficiently prevent defects with conventional load control, for example, a workpiece having a relatively small allowable variation range of the tool load such as a thin plate (for example, a plate thickness of 1.5 mm or less). However, the amount of heat generated by the frictional heat generated by the tool 20 can be appropriately controlled without excess or deficiency, and the occurrence of defects at the joint can be suppressed.

従って、被加工材への加工操作を同じツール20を用いて繰り返しても、ツール20の摩耗に対応することができ、接合部での欠陥の発生を抑制して良好な接合状態を実現することができる。また、被加工材が薄板の場合であっても良好な接合状態を実現することができる。   Therefore, even if the machining operation on the workpiece is repeated using the same tool 20, it is possible to cope with the wear of the tool 20, and to suppress the occurrence of defects at the joint and realize a good joined state. Can do. In addition, even when the workpiece is a thin plate, a good bonding state can be realized.

なお、上記ツール高さ調節手段88は、次に述べるツール再生機構によりツール20が再生された場合は、再生後に最初に加工する被加工材に対して改めて上記基準ツール高さが設定され、再生後の2回目以降に加工する被加工材に対しては、再生後に改めて設定された基準ツール高さより上記下げ幅だけ低く設定されるように上記昇降用モータ85が制御されるようにする。   When the tool 20 is reproduced by the following tool reproduction mechanism, the tool height adjusting means 88 sets the reference tool height again for the first workpiece to be processed after reproduction, and reproduces the tool height adjustment means 88. For the workpiece to be machined after the second time, the raising / lowering motor 85 is controlled so as to be set lower than the reference tool height newly set after reproduction by the lowering width.

(ツール再生機構)
また、摩擦攪拌接合装置1は、冶具4に隣接して基台7上の一方側に、摩擦攪拌加工の操作により摩耗したツール20を再生させるツール再生機構としてのツール研削装置5を備えている。
(Tool playback mechanism)
In addition, the friction stir welding apparatus 1 includes a tool grinding device 5 as a tool regeneration mechanism that regenerates the tool 20 worn by friction stir processing on one side of the base 7 adjacent to the jig 4. .

ところで、ツール20は、加工操作を繰り返すと摩耗するが、ツール20の摩耗は、ショルダ面22の摩耗が顕著であり、プローブ23はそれほど摩耗しない。このことは、被加工材との接触速度が、ショルダ面22では速く、ショルダ面22の中心位置にあるプローブ23では遅いためである。そのため、ツール20の摩耗が進行するとプローブ長さが長くなる傾向となる。この場合、上述した荷重制御による接合では、ショルダ面と被加工材の接触面積を一定に保持しようとするため、荷重が変動すると摩耗の少ないプローブ23の挿入深さが被加工材の板厚を超えて被加工材の接合部にバリや空洞等の欠陥を発生させ易くなる。   By the way, the tool 20 wears when the machining operation is repeated, but the wear of the tool 20 is notably worn on the shoulder surface 22, and the probe 23 is not worn so much. This is because the contact speed with the workpiece is fast on the shoulder surface 22 and slow on the probe 23 at the center position of the shoulder surface 22. Therefore, the probe length tends to increase as the wear of the tool 20 progresses. In this case, since the contact area between the shoulder surface and the workpiece is kept constant in the above-described joining by load control, the insertion depth of the probe 23 with less wear when the load fluctuates causes the plate thickness of the workpiece to be reduced. Beyond that, defects such as burrs and cavities are likely to occur in the joint portion of the workpiece.

そこで、ツール研削装置5は、ツール20のショルダ面22の顕著な摩耗により見かけ上長くなったプローブ23を研削する。図3に示すように、ツール研削装置5は、円板状の砥石支持板52の外周に形成した砥石51と、砥石支持板52に取り付けられた回転軸58に接続されて砥石51を回転させる砥石回転用モータ53とを備える。砥石51の外周部は、プローブ23の断面凸形状に一致する断面凹形状の凹溝51aが全周に連続形成されている。砥石51としては、プローブ23の研削が円滑に行えるようにダイヤモンド砥石等を使用することが好ましいが、これに限定されるものではなく、例えば、ボラゾンのような立方晶窒化ホウ素(CBN)等によるものでも良い。また、砥石51は、ツール20及び砥石51から発生する研削クズ等が外部に飛散されないようにするため、カバー54により覆われており、このカバー54には、ツール20を配置させるツール挿入口56が上面に設けられるとともに、研削クズ等を排出させる排出口57が下面に設けられている。   Therefore, the tool grinding device 5 grinds the probe 23 that has become apparently long due to significant wear of the shoulder surface 22 of the tool 20. As shown in FIG. 3, the tool grinding apparatus 5 is connected to a grindstone 51 formed on the outer periphery of a disc-shaped grindstone support plate 52 and a rotary shaft 58 attached to the grindstone support plate 52 to rotate the grindstone 51. A grinding wheel rotating motor 53. On the outer peripheral portion of the grindstone 51, a concave groove 51a having a concave cross section that matches the convex shape of the cross section of the probe 23 is continuously formed on the entire circumference. As the grindstone 51, it is preferable to use a diamond grindstone or the like so that the probe 23 can be ground smoothly. However, the grindstone 51 is not limited to this, and for example, cubic boron nitride (CBN) such as borazon is used. Things can be used. Further, the grindstone 51 is covered with a cover 54 so that the grinding scraps generated from the tool 20 and the grindstone 51 are not scattered to the outside, and the tool insertion port 56 in which the tool 20 is disposed is disposed in the cover 54. Is provided on the upper surface, and a discharge port 57 for discharging grinding scraps and the like is provided on the lower surface.

そして、図3を参照して、ツール20の再生のためプローブ23を研削する際は、摩耗したツール20を回転させながらツール研削装置5の上方に移動させて先端のプローブ23を、回転している砥石51の凹溝51aに接触させて研削する。このとき、図5を参照して、ワークW1,W2の接合線Lが伸びる方向と砥石51の回転方向が一致するようにツール研削装置5を基台7上に配設することにより、ツール20に前進角θを保持させた状態のままでも砥石51により研削できるので、ツール20の再生操作を容易にすることができる。   Referring to FIG. 3, when the probe 23 is ground for the regeneration of the tool 20, the worn tool 20 is moved to the upper side of the tool grinding device 5 while rotating, and the tip probe 23 is rotated. It grinds by making it contact with the ditch | groove 51a of the grindstone 51 which exists. At this time, referring to FIG. 5, the tool 20 is disposed on the base 7 so that the direction in which the joining line L of the workpieces W1 and W2 extends and the rotation direction of the grindstone 51 coincide with each other. Therefore, the tool 20 can be easily regenerated because the grindstone 51 can be used to grind the tool 20 while maintaining the advance angle θ.

上記再生操作の際、砥石51の周速は、CBN(立法晶窒化硼素)やダイヤモンド砥石の場合は5〜80m/sec程度に設定されるが、これらには限られない。これにより、ツール20を回転させながら砥石51を回転させて研削するに際して、ツール20を欠損等させることなく円滑に研削することができる。また、この再生時のツール20の回転数は、砥石51の種類や砥石51の周速等を考慮して研削に最適な回転数が設定される。例えば、ツール20の回転数は、2000rpm前後程度に設定されるのが好ましいが、これに限定されない。   During the regenerating operation, the peripheral speed of the grindstone 51 is set to about 5 to 80 m / sec in the case of CBN (regular boron nitride) or diamond grindstone, but is not limited thereto. Thus, when the grinding is performed by rotating the grindstone 51 while the tool 20 is rotated, the tool 20 can be smoothly ground without being broken. The rotation speed of the tool 20 at the time of reproduction is set to an optimum rotation speed for grinding in consideration of the type of the grindstone 51, the peripheral speed of the grindstone 51, and the like. For example, the rotation speed of the tool 20 is preferably set to about 2000 rpm, but is not limited thereto.

なお、このツール20の研削時には、砥石51周辺に冷風及び/又はミストを供給するようにしてもよい。これにより、ツール研削時に冷風及びミストを供給することで、砥石51の研削面の粗さを細かくし、滑らかに且つ効率的にツール20を研削することができる。   When grinding the tool 20, cold air and / or mist may be supplied around the grindstone 51. Thereby, by supplying cold air and mist during tool grinding, the roughness of the grinding surface of the grindstone 51 can be reduced, and the tool 20 can be ground smoothly and efficiently.

以上の再生操作により、摩擦攪拌接合の加工操作の繰り返しによりツール20のショルダ面22が顕著に摩耗したために見かけ上長くなってしまったプローブ23を研削することで、プローブ形状を整え、プローブ長さを被加工材の厚さに対応した適切な長さに再生することができる。従って、被加工材への加工操作を同じツール20を用いて繰り返しても、被加工材の接合部での欠陥の発生を抑制して良好な接合状態を実現することができる。また、プローブ23のみを研削するので、簡易に且つ迅速にツール20を再生させることができる。さらには、摩耗したツール20を再生により再使用することでツール寿命が延び、ツール交換頻度を少なくすることができ、被加工材の加工コストを抑えることもできる。   By the above regenerating operation, the probe 23 which has become apparently long because the shoulder surface 22 of the tool 20 is significantly worn due to the repetition of the processing operation of the friction stir welding, the probe shape is adjusted, and the probe length is adjusted. Can be regenerated to an appropriate length corresponding to the thickness of the workpiece. Therefore, even if the processing operation on the workpiece is repeated using the same tool 20, it is possible to suppress the generation of defects at the bonded portion of the workpiece and realize a good bonding state. Further, since only the probe 23 is ground, the tool 20 can be regenerated easily and quickly. Furthermore, by reusing the worn tool 20 by regeneration, the tool life can be extended, the frequency of tool replacement can be reduced, and the processing cost of the workpiece can be reduced.

さらに、摩擦攪拌接合装置1は、ツール20を回転させるツール回転用モータ23の回転トルクを検出するトルク検出部33(図1参照)が設けられており、このトルク検出部33は、ツール20を砥石51により研削している際中もツール20の回転トルクを検出するようになっている。また、摩擦攪拌接合装置1は、ツール研削中にトルク検出部33で検出した回転トルクが所定の設定値に達すると研削加工を停止するように制御する再生制御手段(図示せず)が設けられている。   Furthermore, the friction stir welding apparatus 1 is provided with a torque detection unit 33 (see FIG. 1) that detects the rotational torque of the tool rotation motor 23 that rotates the tool 20. Even during grinding with the grindstone 51, the rotational torque of the tool 20 is detected. Further, the friction stir welding apparatus 1 is provided with a regeneration control means (not shown) for controlling the grinding process to stop when the rotational torque detected by the torque detector 33 during tool grinding reaches a predetermined set value. ing.

研削加工を停止する回転トルクとしての設定値は、摩擦攪拌接合の加工操作の繰り返しによりツール20のプローブ23が長くなりプローブ表面が凸凹となった状態で研削されている時の回転トルクよりも研削によりプローブ23が初期の適切な形状・長さになった時の回転トルクが小さくなるので、回転トルクが減少して所定時間一定値を維持すると研削加工を停止する。これにより、時間の無駄がなく、削りすぎることもなく良好なツール再生を行なうことができる。なお、上記トルク検出部33は、砥石回転用モータ53の回転トルクを検出するようにし、上記再生制御手段は、この砥石回転用モータ53の回転トルクが所定の設定値に達すると研削加工を停止するように制御してもよい。   The set value as the rotational torque at which the grinding process is stopped is more ground than the rotational torque when the probe 23 of the tool 20 is lengthened due to repeated friction stir welding and the probe surface is ground. As a result, the rotational torque when the probe 23 becomes the initial appropriate shape and length is reduced, so that the grinding process is stopped when the rotational torque decreases and maintains a constant value for a predetermined time. Thereby, it is possible to perform good tool reproduction without wasting time and without cutting too much. The torque detector 33 detects the rotational torque of the grinding wheel rotation motor 53, and the regeneration control means stops the grinding process when the rotational torque of the grinding wheel rotation motor 53 reaches a predetermined set value. You may control to do.

なお、本発明は上記実施形態のみに限定されず、本発明の範囲で種々の変更を施すことが可能である。例えば、ツール研削装置5は、ツール20のショルダ面22及びプローブ23を砥石51により研削して再生するようにしてもよい。加工操作の繰り返しによりショルダ面22が摩耗により著しく凹凸となるとショルダ面22と被加工材の接触状態が不安定になり良好な接合状態を妨げるおそれがあるが、ツール研削装置5により摩耗したショルダ面22及びプローブ23を平滑な状態に復元して再生することでショルダ面22と被加工材との接触状態を良好に保持することができる。   In addition, this invention is not limited only to the said embodiment, A various change is possible in the scope of the present invention. For example, the tool grinding apparatus 5 may grind and regenerate the shoulder surface 22 and the probe 23 of the tool 20 with the grindstone 51. If the shoulder surface 22 becomes significantly uneven due to wear due to repeated machining operations, the contact state between the shoulder surface 22 and the workpiece may become unstable and may interfere with a good bonding state, but the shoulder surface worn by the tool grinding device 5 may be disturbed. The contact state between the shoulder surface 22 and the workpiece can be satisfactorily maintained by restoring and reproducing the 22 and the probe 23 to a smooth state.

(実施例1)
1.ツール摩耗の相関性
Ni基2重複相金属間化合物合金製のツールを用いて、図1に示した摩擦攪拌接合装置1により、鉄系材料からなる2枚の被加工材(薄板)を突き合わせて摩擦攪拌接合する加工操作を複数回行い、加工距離に対する同ツールの摩耗の相関性を調べた。
ツールは、図3に示す形状を有し、ショルダ径(ショルダ面の直径)12mmであり、その中央のプローブ径(プローブの直径)4mm、プローブ長さ(ショルダ面からのプローブの突出高さ)0.44mmである。
ツールの材質は、Niが75原子%、Alが7原子%、Vが13原子%、Taが5原子%を含む合計100原子%の組成の合計重量に対して、Bが50重量ppmを含み且つ初析L12相と(L12+D022)共析組織とからなる2重複相組織を有するNi基2重複相金属間化合物合金である。
被加工材は、SUS430からなり、板厚1.0mm、縦横300mm×300mmの平板状の薄板である。
裏当て材は、図1に示す摩擦攪拌接合装置1では、板状のものを使用するが、実施例1では、窒化珪素(Si)製からなり、30×30mm角、長さ100mmの角材を接合方向に3本並べて使用した。
摩擦攪拌接合条件は、ツール高さをショルダ面端部が薄板の表面に接触してから0.4mm下降させた位置に設定し、前進角3度、ツール回転数1500rpmでツールを回転させながら2枚の薄板の接合線上に押し付け、摩擦熱によりツールがオレンジ色に発光した後、ツール送り速度900mm/minで直線状に250mm移動させて摩擦攪拌接合した。
Example 1
1. Correlation of tool wear Using a tool made of Ni-based dual-duplex intermetallic compound alloy, two work materials (thin plates) made of iron-based material are brought into contact with each other by the friction stir welding apparatus 1 shown in FIG. The machining operation for friction stir welding was performed several times, and the correlation of the tool wear with the machining distance was investigated.
The tool has the shape shown in FIG. 3 and has a shoulder diameter (shoulder surface diameter) of 12 mm, a central probe diameter (probe diameter) of 4 mm, and a probe length (protrusion height of the probe from the shoulder surface). 0.44 mm.
The material of the tool includes 75 wt% of Ni, 7 atom% of Al, 13 atom% of V, 13 atom% of V, and 100 wt% of the total composition including Ta of 5 atom%, and B contains 50 ppm by weight. In addition, it is a Ni-based double-duplex intermetallic compound alloy having a double-duplex structure composed of a proeutectoid L1 2 phase and a (L1 2 + D0 22 ) eutectoid structure.
The workpiece is made of SUS430 and is a flat thin plate having a plate thickness of 1.0 mm and a length and width of 300 mm × 300 mm.
In the friction stir welding apparatus 1 shown in FIG. 1, a plate-like material is used as the backing material. In Example 1, the backing material is made of silicon nitride (Si 3 N 4 ), and is 30 × 30 mm square and 100 mm long. Three square bars were used in the joining direction.
Friction stir welding conditions are as follows: the tool height is set to a position lowered by 0.4 mm after the end of the shoulder surface comes into contact with the surface of the thin plate, and the tool is rotated at a forward angle of 3 degrees and a tool rotation speed of 1500 rpm. The sheet was pressed onto the joining line of the thin sheets, and after the tool emitted orange light by frictional heat, it was moved 250 mm linearly at a tool feed speed of 900 mm / min, and friction stir welding was performed.

以上の加工操作を複数回行ったところ、加工距離と上記ツールのショルダ高さ(ツール本体のフランジとの連設位置からショルダ面までの長さ)の減少量との関係は、図6のグラフに示すように、加工距離に比例してツールのショルダ高さが減少した。その結果、上記条件下では、図6のグラフより、加工距離250mm毎に約0.02mmずつツールが摩耗するというツール摩耗の相関データが得られた。   When the above machining operations are performed a plurality of times, the relationship between the machining distance and the amount of decrease in the shoulder height of the tool (the length from the connection position with the flange of the tool body to the shoulder surface) is shown in the graph of FIG. As shown in Fig. 5, the shoulder height of the tool decreased in proportion to the machining distance. As a result, from the graph of FIG. 6, tool wear correlation data indicating that the tool wears by about 0.02 mm for every machining distance of 250 mm was obtained under the above conditions.

2.ツール高さ調節による摩擦攪拌接合
次に、上記ツール摩耗の相関データを上記摩擦攪拌接合装置のツール高さ調節手段に設定して、この摩擦攪拌接合装置は、上記と同条件下では、1回の加工距離を250mmとする摩擦攪拌接合を複数回繰り返す場合、2回目以降の加工操作毎に、ツール高さを下げ幅0.02mmずつ低く設定する制御が行われるようにした。そして、上記と同条件下で、1回の加工距離を250mmとする摩擦攪拌接合の加工操作を13回連続して行った。なお、加工操作の初回(1回目)、中間(7回目)、最終回(13回目)の薄板接合品についてその接合部の写真をそれぞれ図7、図8、図9に示す。
2. Friction stir welding by adjusting the tool height Next, the tool wear correlation data is set in the tool height adjusting means of the friction stir welding apparatus, and the friction stir welding apparatus is operated once under the same conditions as above. When the friction stir welding with a machining distance of 250 mm is repeated a plurality of times, the tool height is lowered and the width is set to be lowered by 0.02 mm for each second and subsequent machining operations. Then, under the same conditions as described above, the friction stir welding operation in which one processing distance was 250 mm was continuously performed 13 times. In addition, the photograph of the junction part is shown in FIG.7, FIG.8, FIG.9 about the thin plate joining goods of the first time (1st time) of processing operation, the middle (7th time), and the last time (13th time), respectively.

3.引張試験
次に、上記薄板の突き合せ接合した接合部の強度を調べるために、加工操作の初回(1回目)、中間(7回目)、最終回(13回目)の薄板接合品について、接合部の接合方向に対して直交する向きに切り出して試験片を作製し、JISZ 2241「金属材料引張試験方法」に準じて引張試験を行った。試験片は、JISZ 2201 5号試験片の形状に準じ、幅25mm、平行部長さ50mmとした。また、測定時のクロスヘッド速度は20mm/minとした。
3. Tensile test Next, in order to examine the strength of the joined portion where the thin plates are butt-joined, for the first (first), intermediate (7th) and final (13th) thin plate joints of the processing operation, A test piece was cut out in a direction perpendicular to the bonding direction of the test piece, and a tensile test was performed according to JISZ 2241 “Tensile test method for metal material”. The test piece had a width of 25 mm and a parallel part length of 50 mm in accordance with the shape of the JISZ 2201 No. 5 test piece. The crosshead speed during measurement was 20 mm / min.

(実施例2)
1.ツール摩耗の相関性
実施例2では、ツールは、ショルダ径を10mm、プローブ長さを0.33mmとした以外は実施例1と同様のものを用い、被加工材は、実施例1と同様の薄板とし、摩擦攪拌接合条件は、ツール回転数を1800rpmとした以外は実施例1と同様にして、加工距離に対する同ツールの摩耗の相関性を調べた。
(Example 2)
1. Correlation of tool wear In Example 2, the tool was the same as that in Example 1 except that the shoulder diameter was 10 mm and the probe length was 0.33 mm, and the workpiece was the same as in Example 1. A thin plate was used, and the friction stir welding conditions were the same as in Example 1 except that the number of rotations of the tool was 1800 rpm.

以上の加工操作を複数回行ったところ、加工距離と上記ツールのショルダ高さの減少量との関係は、図10のグラフに示すように、加工距離に比例してツールのショルダ高さが減少した。その結果、上記条件下では、図10のグラフより、加工距離250mm毎に約0.04mmずつツールが摩耗するというツール摩耗の相関データが得られた。   When the above machining operations are performed a plurality of times, the relationship between the machining distance and the amount of decrease in the shoulder height of the tool is as follows. As shown in the graph of FIG. 10, the tool shoulder height decreases in proportion to the machining distance. did. As a result, from the graph of FIG. 10, tool wear correlation data indicating that the tool wears by about 0.04 mm for every processing distance of 250 mm was obtained under the above conditions.

2.ツール高さ調節による摩擦攪拌接合
実施例2では、摩擦攪拌接合装置は、2回目以降の加工操作毎に、ツール高さを下げ幅0.04mmずつ低く設定する制御が行われるようにした以外は、実施例1と同様に設定した。そして、上記と同条件下で、1回の加工距離を250mmとする摩擦攪拌接合の加工操作を14回連続して行った。なお、加工操作の初回(1回目)、中間(7回目)、最終回(14回目)の薄板接合品についてその接合部の写真をそれぞれ図11、図12、図13に示す。
2. Friction stir welding by adjusting the tool height In Example 2, the friction stir welding apparatus is controlled except that the tool height is lowered and set to be lowered by 0.04 mm for each second and subsequent machining operations. The same setting as in Example 1 was performed. Then, under the same conditions as described above, the friction stir welding process was performed 14 times continuously, with one machining distance being 250 mm. In addition, the photograph of the junction part is shown in FIG.11, FIG.12, FIG.13 about the thin plate joining goods of the first time (1st time) of processing operation, the middle (7th time), and the last time (14th time), respectively.

3.引張試験
実施例2でも、実施例1と同様に、加工操作の初回(1回目)、中間(7回目)、最終回(14回目)の薄板接合品について引張試験を行った。
3. Tensile Test In Example 2, as in Example 1, a tensile test was performed on the thin plate joined product at the first (first), middle (7th), and final (14th) machining operations.

以上の各実施例の条件を表1に示し、加工操作毎の外観状態及び引張試験の結果を表2に示す。   Table 1 shows the conditions of each of the above examples, and Table 2 shows the appearance state and tensile test results for each processing operation.



表2より、実施例1,2は、外観上、全ての加工操作で接合部の施工状態が良好であった。このことから、SUS430の薄板への摩擦攪拌接合の加工操作を、Ni基2重複相金属間化合物合金からなるツールを用いて繰り返しても、接合状態は、全ての加工操作にわたって良好な仕上り状態が得られた。   From Table 2, in Examples 1 and 2, the construction state of the joint portion was good in all processing operations in appearance. From this, even if the processing operation of friction stir welding to a thin plate of SUS430 is repeated using a tool made of a Ni-based double-duplex intermetallic compound alloy, the bonding state is a good finished state over all processing operations. Obtained.

引張強度については、実施例1では507〜512N/mmの範囲に有り、その加工操作の1回目のものが接合部で破断しその引張強度が508N/mmであったが、これと変わりない引張強度507N/mmであった加工操作の13回目のものが母材で破断していた。また、実施例2では468〜508N/mmの範囲に有り、その加工操作の1回目のものが接合部で破断しその508N/mmであったが、これより低い引張強度498N/mmであった加工操作の7回目、引張強度468N/mmであった加工操作の14回目のものがいずれも母材で破断していた。このことから、各実施例は、SUS430母材と比較しても見劣りしない十分な強度が得られていることが判った。 About the tensile strength, in Example 1, it exists in the range of 507-512 N / mm < 2 >, and the thing of the 1st thing of the processing operation fractured | ruptured in the junction part, and the tensile strength was 508 N / mm < 2 >, but this is changed. The 13th processing operation that had a tensile strength of 507 N / mm 2 was broken by the base material. In Examples in 2 in the range of 468~508N / mm 2, although itself the first machining operation was ruptured its 508n / mm 2 at the junction, which lower tensile strength 498N / mm 2 The 7th processing operation and the 14th processing operation with a tensile strength of 468 N / mm 2 were both broken by the base material. From this, it was found that each example has a sufficient strength that is not inferior to that of the SUS430 base material.

以上より、被加工材(SUS430の薄板)への摩擦攪拌接合の加工操作を同じツール(Ni基2重複相金属間化合物合金製)を用いて繰り返しても、加工操作毎に、加工距離とツール摩耗との相関性に基づいた下げ幅でツール高さを低く設定するように制御することで、ツールの摩耗に対応することができ、接合部での欠陥の発生を抑制して良好な摩擦攪拌接合を行うことができた。   From the above, even if the processing operation of friction stir welding to the workpiece (SUS430 thin plate) is repeated using the same tool (made of Ni-based two-phase intermetallic compound alloy), the processing distance and tool for each processing operation By controlling the tool height to be set low with a reduction width based on the correlation with wear, it is possible to cope with tool wear and to suppress the occurrence of defects at the joint and to achieve good friction stirring We were able to join.

(実施例3)
次に、摩耗したツールのプローブを再生し、再生後のツールでも良好な摩擦攪拌接合が行えることを確かめるため、以下の実施例3を行った。
実施例3では、ツールは、ショルダ径を12mm、プローブ長さを0.35mmとした以外は実施例1と同様のものを用い、被加工材は、実施例1と同サイズのSUS430からなる薄板とし、摩擦攪拌接合条件も実施例1と同様にして、摩擦攪拌接合を行った。
Example 3
Next, in order to regenerate the probe of the worn tool and confirm that good friction stir welding can be performed with the regenerated tool, Example 3 below was performed.
In Example 3, the tool is the same as that of Example 1 except that the shoulder diameter is 12 mm and the probe length is 0.35 mm, and the workpiece is a thin plate made of SUS430 having the same size as that of Example 1. Friction stir welding was performed in the same manner as in Example 1 under the friction stir welding conditions.

上記摩擦攪拌接合の加工操作回数を23回行った後、そのツールを、図4に示すツール研削装置より、プローブを研削して再生させた。なお、ツール研削装置の砥石は、ダイヤモンド電着砥石を使用し、再生時の条件は、砥石の周速が8.9m/secとなる回転数に砥石回転用モータを制御すると共に、ツール回転2000rpmとなるようにツール回転用モータを制御してツールを研削し、そして、砥石回転用モータの回転トルクが1.2N・mとなった時点で、ツールの研削を停止させ、ツールの再生を終えた。
その後、このツール再生後、再び上記と同条件で摩擦攪拌接合を行った。
ツール再生前の加工操作による接合部の写真を図14に示し、また、ツール再生後の加工操作による接合部の写真を図15の写真に示す。
After performing the above-mentioned friction stir welding process 23 times, the tool was regenerated by grinding the probe from the tool grinding apparatus shown in FIG. The grinding wheel of the tool grinding device uses a diamond electrodeposition grinding wheel, and the conditions during regeneration are such that the grinding wheel rotation motor is controlled at a rotational speed at which the peripheral speed of the grinding wheel is 8.9 m / sec, and the tool rotation is 2000 rpm. The tool is ground by controlling the tool rotation motor so that the grinding torque of the grinding wheel rotation motor reaches 1.2 N · m. It was.
Thereafter, after this tool was regenerated, friction stir welding was performed again under the same conditions as described above.
FIG. 14 shows a photograph of the joint portion by the machining operation before the tool reproduction, and FIG. 15 shows a photograph of the joint portion by the machining operation after the tool reproduction.

次いで、上記再生前後の薄板接合品について、実施例1と同様に、試験片を作製して引張試験を行った。
以上の実施例3の条件及び結果を表3に示す。
Next, as for the thin-plate bonded product before and after the regeneration, a test piece was prepared and a tensile test was performed in the same manner as in Example 1.
Table 3 shows the conditions and results of Example 3 described above.


表3より、再生前のツールによる薄板接合品では、外観上施工ムラが見られ(図14参照)、また、引張強度は、370N/mmと低く、しかも接合部で破断が起こっていたことから、接合状態が良くないことが判った。これに対して、再生後のツールによる薄板接合品では、外観上、施工状態も良好であり(図15参照)、また、引張強度も502N/mmと高く、しかも母材位置で破断が起こっていたことから、接合状態が良く十分な強度が得られていたことが判った。 As shown in Table 3, the thin-plate bonded product with the tool before recycling showed an uneven appearance on the appearance (see FIG. 14), and the tensile strength was as low as 370 N / mm 2 , and the fracture occurred at the joint. From this, it was found that the bonding state was not good. On the other hand, the thin-plate bonded product using the regenerated tool has a good appearance and construction (see FIG. 15), has a high tensile strength of 502 N / mm 2 , and breaks at the base metal position. Therefore, it was found that the bonding state was good and sufficient strength was obtained.

以上のことから、ツール摩耗に対して被加工材の接合部の接合品質が悪化しても、ツール再生により、再生後のツールを用いて再び接合品質の良い摩擦攪拌接合を行えることが判った。従って、ツール再生により、ツールの摩耗に対応することができるので、被加工材への加工操作を同じツールを用いて繰り返しても、加工部での欠陥の発生を抑制して良好な加工状態を実現することができる。   From the above, it was found that even if the joint quality of the work piece deteriorates due to tool wear, friction stir welding with good joint quality can be performed again using the regenerated tool by tool regeneration. . Therefore, tool wear can be dealt with by tool regeneration, so that even if the machining operation on the workpiece is repeated using the same tool, the occurrence of defects in the machined part is suppressed and a good machining state is achieved. Can be realized.

1 摩擦攪拌接合装置(摩擦攪拌加工装置)
2 加工機構
5 ツール再生機構(ツール研削装置)
20 ツール
22 ショルダ面
23 プローブ
51 砥石
88 ツール高さ調節手段
L 接合線
W1,W2 ワーク(被加工材)
θ 前進角

1 Friction stir welding equipment (friction stir processing equipment)
2 Processing mechanism 5 Tool regeneration mechanism (tool grinding machine)
20 Tool 22 Shoulder surface 23 Probe 51 Grinding wheel 88 Tool height adjusting means L Joining line W1, W2 Workpiece (workpiece)
θ Advance angle

Claims (7)

ショルダ面にプローブを突設して金属材料からなる被加工材を摩擦攪拌加工するためのツールと、
ツールを回転させるための回転駆動手段と、
ツールを上下に移動させて被加工材に対して上から押し付けるツール高さを設定するための昇降駆動手段と、
ツールを被加工材の加工方向に相対移動させるための移送駆動手段と、
同じツールにより同じ材質の被加工材を順次に複数回摩擦攪拌加工するときの上記ツール高さは、最初に加工する被加工材に対して設定したツール高さを基準ツール高さとし、2回目以降に加工する被加工材に対しては、加工操作によるツールの摩耗におけるショルダ高さの減少量に対応して、ツールのショルダ面と被加工材との間で必要な接触面積を確保するために予め定められた下げ幅だけ上記基準ツール高さより低く設定されるように上記昇降駆動手段を制御するツール高さ調節手段とを備える摩擦攪拌加工装置。
A tool for projecting a probe on the shoulder surface and friction stir processing a workpiece made of a metal material;
Rotational drive means for rotating the tool;
Elevating drive means for setting the tool height to move the tool up and down and press against the workpiece from above,
Transfer drive means for moving the tool relative to the processing direction of the workpiece;
The above tool height when the same material is friction stir processed multiple times sequentially with the same tool is the tool height set for the first material to be processed as the reference tool height, and the second and subsequent times. In order to secure the necessary contact area between the shoulder surface of the tool and the workpiece, in response to the decrease in the shoulder height due to tool wear due to machining operations A friction stir processing apparatus, comprising: a tool height adjusting means for controlling the lifting drive means so as to be set lower than the reference tool height by a predetermined lowering width.
請求項1に記載の摩擦攪拌加工装置において、
上記ツールは、Ni基2重複相金属間化合物合金からなる摩擦攪拌加工装置。
In the friction stir processing apparatus according to claim 1,
The tool is a friction stir processing apparatus made of a Ni-based two-phase intermetallic compound alloy.
請求項1又は2に記載の摩擦攪拌加工装置において、
上記被加工材は、鉄系材料の板材からなる摩擦攪拌加工装置。
In the friction stir processing apparatus according to claim 1 or 2,
The workpiece is a friction stir processing apparatus made of a ferrous material plate.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の摩擦攪拌加工装置において、
摩擦攪拌加工により摩耗した上記ツールを砥石により研削するツール再生機構を備える摩擦攪拌加工装置。
In the friction stir processing apparatus according to any one of claims 1 to 3,
A friction stir processing apparatus provided with a tool regeneration mechanism for grinding the tool worn by friction stir processing with a grindstone.
請求項4に記載の摩擦攪拌加工装置において、
上記ツール再生機構は、砥石により上記ツールのプローブだけを研削する構成とした摩擦攪拌加工装置。
In the friction stir processing apparatus according to claim 4,
The tool regeneration mechanism is a friction stir processing apparatus configured to grind only the probe of the tool with a grindstone.
ショルダ面にプローブを突設して金属材料からなる被加工材を摩擦攪拌加工するためのツールと、
ツールを回転させるための回転駆動手段と、
ツールを上下に移動させて被加工材に対して上から押し付けるツール高さを設定するための昇降駆動手段と、
ツールを被加工材の加工方向に相対移動させるための移送駆動手段と、
同じツールにより同じ材質の被加工材を順次に複数回摩擦攪拌加工するときの上記ツール高さは、最初に加工する被加工材に対して設定したツール高さを基準ツール高さとし、2回目以降に加工する被加工材に対しては、加工操作によるツールの摩耗に対応して、ツールのショルダ面と被加工材との間で必要な接触面積を確保するために予め定められた下げ幅だけ上記基準ツール高さより低く設定されるように上記昇降駆動手段を制御するツール高さ調節手段と、
摩擦攪拌加工により摩耗した上記ツールを砥石により研削するツール再生機構と、
上記ツール再生機構による再生の際、上記ツールを回転させながら砥石を回転させてツールを研削するように制御し、ツールの回転トルク又は砥石の回転トルクを検出するトルク検出手段の出力値が所定の設定値に達すると再生を停止するように制御する再生制御手段を備える摩擦攪拌加工装置。
A tool for projecting a probe on the shoulder surface and friction stir processing a workpiece made of a metal material;
Rotational drive means for rotating the tool;
Elevating drive means for setting the tool height to move the tool up and down and press against the workpiece from above,
Transfer drive means for moving the tool relative to the processing direction of the workpiece;
The above tool height when the same material is friction stir processed multiple times sequentially with the same tool is the tool height set for the first material to be processed as the reference tool height, and the second and subsequent times. For workpieces to be machined, only a predetermined reduction width is required to ensure the necessary contact area between the shoulder surface of the tool and the workpiece in response to tool wear due to machining operations. Tool height adjusting means for controlling the elevating drive means to be set lower than the reference tool height;
A tool regeneration mechanism for grinding the tool worn by friction stir processing with a grindstone;
At the time of reproduction by the tool reproduction mechanism, the tool is rotated so as to grind the tool while rotating the tool, and the output value of the torque detection means for detecting the rotation torque of the tool or the rotation torque of the grindstone is a predetermined value. friction stir processing apparatus comprising a reaches the set value and the reproduction control means for controlling to stop playing.
金属材料の被加工材に対してツールを回転させながら押し付けて発生する摩擦熱により被加工材を軟化させて加工する摩擦攪拌加工方法であって、
同じツールにより同じ材質の被加工材を順次に複数回摩擦攪拌加工するときに被加工材を上から押し付けるツール高さは、最初に加工する被加工材に対して設定したツール高さを基準ツール高さとし、2回目以降に加工する被加工材に対しては、加工操作によるツールの摩耗におけるショルダ高さの減少量に対応して、ツールのショルダ面と被加工材との間で必要な接触面積を確保するために予め定められた下げ幅だけ上記基準ツール高さより低く設定して被加工材の加工を行う摩擦攪拌加工方法。
A friction stir processing method for softening and processing a workpiece by friction heat generated by pressing a tool against a workpiece of metal material while rotating the tool,
The tool height for pressing the workpiece from the top when the same material is friction stir processed multiple times sequentially with the same tool is the tool height set for the workpiece to be processed first. For the workpiece to be processed at the second and subsequent times, the required contact between the shoulder surface of the tool and the workpiece corresponding to the amount of reduction in the shoulder height due to wear of the tool by the machining operation A friction stir processing method for processing a workpiece with a predetermined lowering width set lower than the reference tool height in order to secure an area.
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